Adsorción de mezclas gaseosas multicomponentes : determinación experimental y predicción teórica de sus datos de equilibrio

Abstract

En esta memoria se informa de los resultados alcanzados al investigar el equilibrio de adsorción de mezclas gaseosas ulticomponentes de hidrocarburos ligeros, como son metano, etileno, etano y propileno, utilizando como absorbente carbón activo.El interés suscitado por los fenómenos de adsorción en los últimos años radica tanto en el encarecimiento de las materia primas y la exigencia de elevados grados de pureza de las mismas, como en la necesidad impuesta por la legislación vigente sobre contaminación en las corrientes líquidas y gaseosas de evacuación. Estos hechos determinan que esta operación de separación sea hoy en día competitiva con las de rectificación, adsorción, etc., en muchos casos. Debido a ello, y a la ausencia prácticamente total de datos de equilibrio en sistemas multicomponentes gas-sólido imprescindibles para el diseño de los lechos de adsorción, se consideró interesante proseguir la investigación iniciada en este Departamento con sistemas de un solo adsorbato, y ampliarla a aquéllos que implican dos, tres o más adsorbatos. El programa de investigación planteado consistió fundamentalmente en las siguientes etapas:- Selección de las mezclas a investigar: entre las formadas por hidrocarburos ligeros asequibles, y a ser posible de interés industrial.- Puesta a punto de una técnica experimental precisa para la obtención de los datos de equilibrio.- Determinación experimental de las composiciones de equilibrio: isotermas de adsorción de los componentes puros y de sus mezclas binarias y ternarias a distintas condiciones de presión y temperatura.- Determinación teórica de las composiciones de equilibrio en mezclas binarias: cálculo de los coeficientes de actividad de los datos experimentales y determinación de las constantes que a cada mezcla corresponden en las ecuaciones de Wilson y UNIQUAC.- Predicción teórica de las composiciones de equilibrio en el caso de mezclas ternarias: cálculo de los coeficientes de actividad de los componentes adsorbidos a partir de las ecuaciones de Wilson y UNIQUAC utilizando las constantes encontradas para cada una de las tres mezclas binarias comprendidas en las mezclas ternarias que se consideren. Se eligió la mezcla de metano-etileno-etano, dada la importancia en la industria petroquímica, a fin de obtener etileno de elevado grado de pureza, a partir de la misma.Posteriormente se añadió un cuarto adsorbato (propileno), a fin de posibilitar el estudio de otras mezclas binarias y ternarias. La instalación experimental consta de un circuito cerrado dotado de un compresor, que proporciona un flujo continuo a través del adsorbente, que constituye un lecho fluido y cromatógrafo de gases conectado en paralelo al mismo, que permite analizar en cada instante la composición de la mezcla gaseosa. Se determinaron las isotermas de adsorción de los componentes puros metano, etileno, etano y propileno, así como de las mezclas binarias metano-etileno, metano-etano, etileno-etano, etileno-propileno y etano-propileno, y de las mezclas ternarias metano-etileno-etano y etileno-etano-propileno, todas a temperaturas de 20ºC y 50ºC y presiones comprendidas entre 0 y 760 mm. De Hg. Presuponiendo la semejanza entre el equilibrio vapor-líquido y gas-fase adsorbida, se determinaron teóricamente las composiciones de equilibrio en el caso de mezclas binarias. Para ello, a partir de los datos experimentales y mediante la ecuación de Dalton y Raoult, modificada por introducción en la misma del concepto de presión superficial, se calcularon los coeficientes de actividad con los que pudieron determinarse las constantes para cada mezcla binaria en las ecuaciones teóricas de Wilson y UNIQUAC para el equilibrio líquido-vapor. A partir de éstas últimas se reprodujeron con toda fidelidad los datos experimentales correspondientes a las cinco mezclas binarias investigadas. Finalmente, mediante las ecuaciones últimamente indicadas y las dos constantes de cada mezcla binaria a que se acaba de aludir, pudieron calcularse los coeficientes de actividad de los tres componentes adsorbidos en cada una de las mezclas ternarias investigadas, y con ellos y la también citada ecuación de Dalton y Raoult modificada, predecir así mismo con toda fidelidad los datos experimentales.